發(fā)生器頭部電子束焊縫熔深相控陣超聲檢測

趙 燦，王建超，張 健，張 楠，王永紅

(西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

燃?xì)獍l(fā)生器是液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生燃?xì)鉁u輪工質(zhì)的組件，具有室壓高、流量密度大、富氧燃燒等特點(diǎn)。其中發(fā)生器頭部由外底部件與底部組件構(gòu)成，二者通過電子束焊接方法連接，焊接厚度約11 mm，如圖1所示。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及實(shí)際工況分析可知，熔深不小于8 mm時(shí)，焊縫連接強(qiáng)度能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作要求。焊接過程中由于工藝參數(shù)控制不當(dāng)、接頭裝配偏差等原因易產(chǎn)生未焊透缺陷或熔深不合格問題，使焊縫承載截面面積減少，降低焊接接頭力學(xué)性能，可能造成煤油外泄漏影響發(fā)生器做功能力，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工況無法滿足額定工況要求。實(shí)際生產(chǎn)中曾發(fā)生過外底部件與底部組件在液壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)沿電子束焊縫發(fā)生撕裂的質(zhì)量問題。因此對焊縫熔深進(jìn)行高精度測量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)熔深不足問題，對保障發(fā)生器產(chǎn)品質(zhì)量、保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作具有重要意義。

圖1 發(fā)生器頭部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of generator head

根據(jù)發(fā)生器頭部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，此焊縫熔深測量為面積型缺陷檢測問題，不宜使用X射線檢測。利用工業(yè)CT檢測時(shí)，焊縫中心位置切層的射線穿透厚度太大，檢測靈敏度低、信噪比差，難以準(zhǔn)確測量熔深；另外，CT檢測效率低，成本昂貴。一些學(xué)者采用超聲檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了特定結(jié)構(gòu)電子束焊縫熔深檢測，如謝寶奎等用常規(guī)超聲橫波接觸法對組合齒輪的輪盤與齒圈電子束焊縫熔深進(jìn)行檢測，由于常規(guī)超聲無法進(jìn)行特定角度的聲場聚焦，不適用于本文高精度定量需求。唐盛明等采用水浸超聲C掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車輛發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)齒輪中電子束焊縫熔深的有效測量，超聲檢測值與缺陷實(shí)際尺寸誤差不超過0.2 mm，考慮到發(fā)生器頭部內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜且封堵困難，不宜進(jìn)行水浸檢測。任俊波等利用超聲掃描顯微技術(shù)對核電站燃料元件中熔深800～1 000 μm的鋯合金電子束焊縫進(jìn)行檢測，測量精度達(dá)到±30 μm，由于檢測頻率較高，該方法僅適用于淺焊縫熔深(小于1 mm)的檢測。相控陣超聲技術(shù)能夠在不移動(dòng)或少移動(dòng)探頭的前提下實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)高靈敏度的動(dòng)態(tài)聚焦掃查，可有效解決某些空間限制和聲束可達(dá)性問題，因此本文采用相控陣超聲方法開展發(fā)生器頭部電子束焊縫熔深測量研究，為解決此類問題提供新途徑。

1 熔深檢測原理

相控陣超聲技術(shù)是借鑒相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的原理發(fā)展起來的。相控陣超聲探頭基于惠更斯原理設(shè)計(jì)，由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，按一定的規(guī)則和時(shí)序激發(fā)各個(gè)陣元，因各列波頻率相同、相位差恒定，從而形成干涉。對各陣元的激發(fā)延時(shí)進(jìn)行精確設(shè)定可實(shí)現(xiàn)波束聚焦、偏轉(zhuǎn)等相控效果；在反射波接收過程中，采用同樣的方法控制波束并進(jìn)行信號合成，最后將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示。

焊縫熔深相控陣超聲檢測主要基于脈沖反射原理，如圖2所示。

圖2 不同探頭位置的聲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic beam at different positions

通過設(shè)置合適的聚焦法則使聲波入射至焊縫處，若外底部件與底部組件對接界面已熔合良好，則聲波穿過焊縫繼續(xù)傳播，無回波信號；若界面未熔合，則聲波被界面反射并被探頭接收，因此熔深測量的關(guān)鍵是能否找到熔合與未熔合的交界處，即準(zhǔn)確獲得未焊透的邊緣位置，其實(shí)質(zhì)是缺陷測長問題。

根據(jù)外底部件的幾何尺寸計(jì)算可知，熔深4.5～11 mm范圍內(nèi)45°聚焦法則形成的一次橫波聲束與焊縫對接面法線夾角小于2°，即45°聲束近似垂直于對接平面。因此可以通過測量45°聲束位于焊縫根部熔合與未熔合交界處時(shí)的聲程計(jì)算熔深。此外，考慮到外底部件曲率影響，需對測量值進(jìn)行修正。具體方法為：垂直于焊縫方向移動(dòng)探頭找到45°聲束的界面反射最高波，調(diào)節(jié)增益使波高達(dá)到80%，然后移動(dòng)探頭至界面波幅值降低至40%(-6 dB法)，如圖3所示。圖3中藍(lán)色區(qū)域?yàn)橄嗫仃嚿葤呗晥龈采w區(qū)，此時(shí)大于45°的聲束可穿過熔合區(qū)，小于45°的聲束在未焊透區(qū)發(fā)生反射，45°聲束恰好位于臨界點(diǎn)。讀取回波聲程SA值(式中簡記)，則焊縫實(shí)際熔深為= (-0.8) mm(0.8是修正系數(shù))。

圖3 熔深測量原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of weld penetration measurement

2 模型建立及驗(yàn)證

為了優(yōu)化檢測工藝和輔助超聲信號分析采用CIVA軟件進(jìn)行仿真。CIVA是由法國原子能委員會研發(fā)的一款專業(yè)無損檢測仿真軟件，其主要由聲場分析和缺陷響應(yīng)2個(gè)模塊組成，前者的計(jì)算模型是基于Pencil法修正的瑞利積分，后者主要采用基于基爾霍夫(Kirchhoff)近似和伯恩(Born)近似等理論的半解析法。

2.1 模型參數(shù)

按照發(fā)生器頭部實(shí)際幾何尺寸建立仿真模型(見圖4)，材料屬性為各向同性的單一介質(zhì)，密度為7.8×10kg/m，橫波聲速3 230 m/s。在外底部件焊縫對接面處設(shè)置一個(gè)1 mm×1 mm(寬×高)的矩形槽缺陷，缺陷中心位于熔深8 mm處。

圖4 發(fā)生器頭部仿真模型Fig.4 Simulation model of generator head

超聲設(shè)置方面，由于外底部件表面為球面，接觸法檢測時(shí)使用的平面楔塊長度應(yīng)盡可能小，以減少耦合不良造成的聲能損失。同時(shí)為了匹配小尺寸楔塊，探頭陣元數(shù)量不宜太多。鑒于檢測聲程較小,本文選用16陣元線陣列探頭，陣元間距0.6 mm，激發(fā)孔徑9.52 mm，陣元寬度10 mm，脈沖激勵(lì)為10 MHz高斯脈沖，-6 dB帶寬60%。為保證一次波最大限度地掃查到焊縫根部，應(yīng)選擇短前沿楔塊,使用55°橫波楔塊，前沿長度9.6 mm。聚焦類型為角度加深度聚焦，偏轉(zhuǎn)角度45°，聚焦深度5 mm。

2.2 模型驗(yàn)證

試驗(yàn)所用儀器為Olympus MX2相控陣超聲檢測儀，探頭為10 MHz的16陣元線陣探頭，法則配置為角度扇形，角度范圍30°～70°，步距0.5°，聚焦深度5 mm。制作了外底部件模擬件，并在與仿真模型相同位置加工了1 mm×1 mm(寬×高)的矩形槽。

仿真與試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，可以看到矩形槽缺陷均能被有效檢出。測量45°聲束在缺陷回波最高位置的聲程，仿真結(jié)果為7.1 mm，試驗(yàn)結(jié)果為6.9 mm。對比結(jié)果表明，仿真圖像及測量結(jié)果與試驗(yàn)符合較好，證明了模型建立的合理性和計(jì)算結(jié)果的有效性。

圖5 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.5 Comparison of simulation and testing results

3 仿真分析

為了提高測量精度，應(yīng)將聲束聚焦于焊縫對接面，并盡可能提高系統(tǒng)的橫向分辨力。橫向分辨力與超聲波聲束寬度成反比，聲壓降落值為-6 dB時(shí)的聲束寬度可按式(1)近似計(jì)算。

(1)

式中:為材料聲速，m/s；為聚焦深度，mm；為探頭頻率，MHz；為探頭孔徑，mm。本文在材料聲速和探頭孔徑一定的條件下，分析探頭頻率和聚焦深度對聲場及檢測結(jié)果的影響。

3.1 探頭頻率對聲場的影響

選擇常用的5 MHz和10 MHz探頭進(jìn)行仿真，探頭陣元參數(shù)見2.1節(jié)。圖6是聚焦深度=8 mm時(shí)45°橫波的聲場仿真圖像，其中圖6(a)和圖6(c)是焦點(diǎn)位置45°聲束軸線法線方向與從動(dòng)軸方向的截面圖；圖6(b)和圖6(d)是聲束軸線方向與從動(dòng)軸方向的截面圖?？梢钥闯鲆痪S線陣列的聲束在主動(dòng)軸偏轉(zhuǎn)面聚焦明顯，但其從動(dòng)軸上不具備聚焦能力，因此線陣列相控陣探頭聲束在三維空間中呈蝶形。針對本文熔深測量需求，只需關(guān)注45°聲束軸線法線方向的焦點(diǎn)寬度的大小，對比可見10 MHz的焦點(diǎn)寬度更小，具有更好的聚焦效果。

圖6 不同頻率下45°橫波聲場仿真圖像Fig.6 Simulation images of 45° S-wave sound field at different frequencies

圖7給出了不同聚焦深度下45°聲束的焦點(diǎn)寬度，可以看出隨著焦距增加，焦點(diǎn)寬度逐漸增大。在聚焦深度4～15 mm范圍內(nèi)，5 MHz和10 MHz探頭焦點(diǎn)寬度范圍分別為1.4～2.2 mm和0.7～1.3 mm。由上文分析可知，宜選用焦點(diǎn)更小的10 MHz 探頭進(jìn)行熔深測量。

圖7 不同頻率探頭在不同聚焦深度下的45°聲束焦點(diǎn)寬度Fig.7 Focal width of 45° sound beam at different focal depths of 5 MHz and 10 MHz probes

3.2 聚焦深度對熔深測量的影響

圖8所示為10 MHz探頭對熔深分別為9.7 mm、7.7 mm和5.7 mm焊縫在不同聚焦深度下的B掃描圖像。可以看到聚焦深度影響根部未焊透的界面回波幅值，并且在=4 mm和=15 mm時(shí)B掃圖像出現(xiàn)了明顯的“拖尾”現(xiàn)象。這是由于聚焦深度影響焊接界面處的聲場情況，當(dāng)焦點(diǎn)落在焊接界面附近(如=6～10 mm)時(shí)，聲束能量集中，回波能量高，具有較高的靈敏度和分辨力；當(dāng)聚焦深度較小(如=4 mm)時(shí)，聲波在焊接界面前已經(jīng)聚焦，到達(dá)焊接界面時(shí)會有一定程度的發(fā)散；當(dāng)聚焦深度較大(如=15 mm)時(shí)，焦點(diǎn)位于焊接界面下方，在焊接界面處還未形成聚焦聲束。后兩者聲束在焊接界面呈散焦?fàn)顟B(tài)，造成檢測靈敏度和分辨力均下降。

圖8 不同焊接熔深在不同聚焦深度下的B掃圖像Fig.8 B-scan images of different weld penetration at different focal depths

圖9給出了不同焊接熔深下未焊透界面回波幅值隨聚焦深度的變化規(guī)律，在=5～12 mm范圍內(nèi)回波歸一化幅值波動(dòng)小于3 dB，可以較好地保證不同熔深檢測靈敏度的一致性。

對不同焊接熔深進(jìn)行仿真計(jì)算，統(tǒng)計(jì)在不同聚焦深度下超聲測量值與模型預(yù)設(shè)值之間的測量誤差，結(jié)果如表1所示?？梢钥吹皆?4～15 mm范圍內(nèi)超聲測量絕對誤差小于1 mm；當(dāng)>10 mm時(shí)，由于檢測聲程減小，對于較小熔深的測量誤差較大。結(jié)合回波幅值變化規(guī)律，初步得出聚焦深度宜設(shè)置在5～10 mm范圍內(nèi)。

圖9 不同焊接熔深檢測的歸一化幅值Fig.9 Normalized amplitude of different weld penetration detection

表1 不同焊接熔深在不同聚焦深度下的仿真測量結(jié)果

4 焊縫熔深相控陣超聲檢測試驗(yàn)

設(shè)計(jì)制作了發(fā)生器頭部1∶1模擬樣件(見圖10)，通過控制電子束焊接電流得到4個(gè)不同的焊接熔深區(qū)域(1～4區(qū))，利用模擬樣件開展試驗(yàn)研究。

圖10 發(fā)生器頭部模擬樣件Fig.10 Simulation specimen of generator head

試驗(yàn)所用探頭為10 MHz和5 MHz的16陣元線陣探頭，探頭陣元參數(shù)及楔塊參數(shù)與2.1節(jié)設(shè)置相同。由于楔塊前沿仍有一定長度，檢測時(shí)探頭垂直于焊縫方向移動(dòng)的極限位置為楔塊前沿緊貼焊縫余高邊緣，結(jié)合工件結(jié)構(gòu)可知，聚焦深度為5～15 mm時(shí)可以保證覆蓋熔深4.5～11 mm的檢測區(qū)域。

圖11和圖12分別為5 MHz和10 MHz探頭在不同聚焦深度下對模擬樣件1區(qū)的檢測圖像。從圖11(a)扇掃圖中可以看到焊縫根部未焊透的界面反射波和45°聲束的A波圖像，界面波在探頭偏轉(zhuǎn)角度方向的寬度代表了未焊透界面的長度，寬度越大，未焊透界面越長，則熔深越小。對比圖11(a)和圖12(a)可以看出，10 MHz得到的界面回波比5 MHz邊緣更加清晰銳利，更有利于提高熔深測量精度。

對比圖11(a)～圖11(d)、圖12(a)～圖12(d)可見，5 MHz和10 MHz探頭在不同聚焦深度設(shè)置下均能檢出根部未焊透，隨著聚焦深度增加，界面波在探頭偏轉(zhuǎn)角度方向的寬度逐漸減小，在=15 mm時(shí)界面波幅值明顯降低并出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象，與仿真結(jié)果一致。

圖11 5 MHz探頭不同聚焦深度檢測圖像Fig.11 Detection images with different focal depths of 5 MHz probe

圖12 10 MHz探頭不同聚焦深度檢測圖像Fig.12 Detection images with different focal depths of 10 MHz probe

用10 MHz探頭在不同聚焦深度下對模擬樣件1～4區(qū)依次進(jìn)行熔深測量。從模擬樣件每個(gè)分區(qū)取樣兩處用金相法測量熔深，將兩處熔深平均值作為該區(qū)熔深，焊縫不同熔深區(qū)宏觀金相見圖13。1～4區(qū)熔深金相測量值分別為9.6 mm、8.8 mm、7.8 mm和6.9 mm，超聲測量值與絕對誤差依次如表2所示。對比可以看到，聚焦深度在5～14 mm范圍時(shí)，超聲測量絕對誤差小于1 mm，特別地，當(dāng)6 mm≤≤9 mm時(shí)，超聲測量結(jié)果穩(wěn)定且誤差較小；隨著聚焦深度增加，測量誤差呈增大趨勢；當(dāng)=15 mm時(shí)，熔深7.8 mm和6.9 mm區(qū)域的測量誤差大于1 mm。結(jié)合扇掃波形和測量結(jié)果最終選擇=8 mm作為實(shí)際檢測時(shí)的聚焦深度。

圖13 模擬樣件不同熔深區(qū)金相圖Fig.13 Metallographic images of simulation specimen with different penetrations

表2 焊縫熔深超聲測量與金相測量結(jié)果

采用試驗(yàn)確定的工藝參數(shù)累計(jì)完成了120余件發(fā)生器頭部的熔深測量工作，并對部分不合格產(chǎn)品進(jìn)行剖切，剖切樣品金相測量結(jié)果與相控陣超聲檢測結(jié)果符合較好，從而驗(yàn)證了本文方法的可行性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

1)通過仿真分析獲得了不同頻率相控陣探頭在工件內(nèi)部的橫波聲場信息，并對探頭頻率進(jìn)行了優(yōu)選。根據(jù)不同焊接熔深下未焊透界面回波幅值隨聚焦深度的變化規(guī)律以及熔深測量結(jié)果，得到了聚焦深度的最佳取值范圍。

2)對于焊接厚度約11 mm的焊縫，采用10 MHz線陣相控陣超聲探頭，聚焦深度設(shè)置為8 mm時(shí)，焊縫熔深測量誤差小于1 mm，能夠滿足工程定量需求。

3)本文所采用的方法可實(shí)現(xiàn)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器頭部焊縫熔深測量，且此法操作便捷，顯示直觀，檢測效率高。可為優(yōu)化焊接工藝、提高產(chǎn)品電子束焊接質(zhì)量提供有力保障，也為類似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的檢測提供借鑒，后期可通過設(shè)計(jì)專用掃查工裝進(jìn)一步提高測量精度。